EP1905949A1 - Kühlung eines Dampfturbinenbauteils - Google Patents

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EP1905949A1
EP1905949A1 EP06019709A EP06019709A EP1905949A1 EP 1905949 A1 EP1905949 A1 EP 1905949A1 EP 06019709 A EP06019709 A EP 06019709A EP 06019709 A EP06019709 A EP 06019709A EP 1905949 A1 EP1905949 A1 EP 1905949A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam turbine
cooling
steam
turbine component
turbine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06019709A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Beul
Thomas Dr. Hofbauer
Holger Dr. Kirchner
Kai Dr. Wieghardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP06019709A priority Critical patent/EP1905949A1/de
Publication of EP1905949A1 publication Critical patent/EP1905949A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00Stators
    • F01D9/06Fluid supply conduits to nozzles or the like
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00Application
    • F05D2220/30Application in turbines
    • F05D2220/31Application in turbines in steam turbines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/20Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/232Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
    • F05D2260/2322Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium steam

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine component comprising turbine components arranged in grooves in the steam turbine component, wherein a gap channel is formed between the turbine component and a groove inner surface of the steam turbine component.
  • a steam turbine is understood to mean any turbine or sub-turbine through which a working medium in the form of steam flows.
  • gas turbines are traversed with gas and / or air as the working medium, which, however, is subject to completely different temperature and pressure conditions than the steam in a steam turbine.
  • gas turbines has steam turbines z. As the one part turbine incoming working fluid with the highest temperature at the same time the highest pressure. An open cooling system, as in gas turbines, is therefore not feasible without external supply.
  • Steam turbines or steam turbine engines can be divided into high-pressure, medium-pressure or low-pressure turbine sections.
  • a sharp separation between high-pressure, medium-pressure or low-pressure turbine sections has not yet been defined uniformly in the professional world.
  • a steam turbine typically includes a vaned rotatably mounted rotor disposed within a casing shell. When flowing through the flow space formed by the housing jacket with heated and pressurized steam, the rotor is set in rotation by the steam via the blades.
  • the rotor-mounted blades are also referred to as blades.
  • usually stationary guide vanes are mounted on the housing jacket, which engage in the intermediate spaces of the moving blades.
  • a vane is typically held at a first location along an interior of the steam turbine casing. In this case, it is usually part of a vane ring, which comprises a number of vanes, which are arranged along an inner circumference on the inside of the steam turbine housing. Each vane has its blade radially inward. Usually, a number of vane rings are arranged one behind the other.
  • the steam turbine shafts which are rotatably mounted in the steam turbines, are subjected to a great deal of thermal stress during operation.
  • the development and production of a steam turbine shaft is both expensive and time consuming.
  • Steam turbine shafts are considered to be the most stressed and expensive components of a steam turbine. This increasingly applies to high steam temperatures.
  • steam turbines in contrast to the gas turbine, have no compressor unit and, moreover, the shafts of the steam turbine are generally accessible only radially.
  • Piston area is to be understood as the area of a thrust balance piston.
  • the thrust balance piston acts in a steam turbine such that a force caused by the working medium force is formed on the shaft in one direction counter-force in the opposite direction.
  • a cooling of a steam turbine shaft is inter alia in the EP 0 991 850 B1 described.
  • a compact or high-pressure and medium-pressure turbine section is executed by a connection in the shaft through which a cooling medium can flow.
  • a disadvantage here is felt that between two different expansion sections no controllable bypass can be formed.
  • problems in transient operation are possible.
  • the object of the invention is therefore to provide a steam turbine, which can be operated at high steam temperatures.
  • a steam turbine component comprising turbine components arranged in grooves in the steam turbine component, wherein a gap channel is formed between the turbine component and a Nutinnen conversion the steam turbine component, wherein a cooling line is provided which opens into the gap channel and is designed to conduct cooling medium in the gap channel ,
  • the invention is based on the aspect that in a steam turbine when installing turbine components in a groove construction and production due to the formation of a gap channel is essential. This splitting channel has not been used for cooling purposes.
  • the invention therefore provides to use the presence of the gap channel for cooling purposes.
  • For a cooling line is provided in the steam turbine component, which opens into the gap channel. When an external cooling steam flows through the cooling line, it passes into the gap channel where it can cool thermally stressed parts.
  • An advantage of the invention is that an existing steam turbine can be designed according to the invention without significant structural changes. Required for this are cooling lines, which open into the gap channel. Furthermore, it must be ensured that the cooling medium is removed from the cooling channel again.
  • the cooling line can be designed as a bore.
  • a bore is a relatively inexpensive and quick way to form the cooling line.
  • the steam turbine is inexpensive to produce.
  • this pressure gradient can be advantageously utilized in order to remove the cooling medium from the gap channel into the flow channel.
  • dividing surfaces between adjacent blade roots are formed with recesses so that the cooling medium can pass from the cooling channel through the recesses into the flow channel.
  • the division surface can be easily edited with known tools, whereby a recess can be formed.
  • the recesses are to be selected in number and size so that the cooling medium throttled is discharged into the flow channel and so the mass flow of the cooling medium is largely fixed.
  • the turbine component may be formed as a turbine blade.
  • the turbine blade may be formed with small cooling holes and hollow, so that the cooling medium can flow from the cooling line via the gap channel and the small cooling lines in the flow channel.
  • the turbine component can be designed as a sealing segment.
  • resilient sealing segments are used in steam turbine construction.
  • the sealing segments are also thermally stressed in high-pressure steam turbines and may need to be cooled.
  • a dividing surface is formed between two adjacent turbine blades, which has a recess for passing the cooling medium. This makes it possible to design the cooling medium in a constructive and production-oriented manner.
  • the division surface can be easily edited with known tools, whereby a recess can be formed.
  • the turbine component is designed as a housing of a steam turbine.
  • the housing in particular the inner housing, is thermally stressed, especially in the inflow region. It may therefore be desirable to cool thermally stressed areas of the steam turbine.
  • the steam turbine component is designed as a rotor of a steam turbine.
  • the rotor of a high-pressure steam turbine is particularly thermally loaded in the inflow area and must therefore be particularly cooled.
  • the high-pressure steam turbine has an outer housing 2 and an inner housing 3. Within the inner housing 3, a rotor 4 is rotatably mounted.
  • the inner housing 3 has on its inner circumference 5 a plurality of guide vanes 6. For the sake of clarity, only three guide vane rings are provided with the reference numeral 6 in FIG.
  • the rotor 4 has blades 7. For clarity, only three vane rings are provided with the reference numeral 7.
  • the steam can have temperatures of more than 600 ° C. and pressures of well over 300 bar.
  • the rotor 4, the inner housing 2 and the outer housing 3 can be considered as a steam turbine component.
  • a resilient sealing segment, the vanes 6 and / or the blades 7 may be considered as a turbine component.
  • a flow channel 10 is formed, through which the steam flows and performs work.
  • the rotor 4 is thereby rotated.
  • the steam cools down in a flow direction 11, the pressure decreasing.
  • the inner housing 3 has a plurality of cooling lines 14.
  • the cooling line 14 opens into a gap channel 15.
  • the gap channel 15 is due to design and production almost inevitable.
  • the gap channel 15 is formed between the turbine component 2, 3, 4 and a groove inner surface of the steam turbine component 2, 3, 4.
  • the gap channel 14 is designed to conduct cooling medium into the gap channel 15.
  • the cooling medium may be an externally supplied cooling steam. But it is also conceivable that the cooling medium is diverted in some way from the steam at a point of lower pressure and lower temperatures.
  • FIG. 2 shows a hooked foot of a turbine blade 6, 7.
  • blade root geometries e.g. Hammer, double hammer or pine feet.
  • Vanes 6 and / or blades 7 are referred to as turbine blades.
  • the cooling medium flows into the gap channel 15 and cools there thermally stressed parts.
  • the cooling line 14 can be executed here as a simple bore. Holes are particularly easy to implement. As a result, such a steam turbine according to the invention can be produced quickly and inexpensively.
  • the steam turbine component 2, 3, 4 is provided for the construction of a steam turbine 1 with the flow channel 10 and designed such that the cooling medium can be flowed into the flow channel 10.
  • lines not shown in FIG 2 must be present in order to direct the cooling steam from the gap channel 15 in the flow channel 10.
  • FIG. 3 shows a possibility of how the cooling medium can be conducted into the flow channel 10.
  • two adjacent turbine blades 6, 7 are shown, between which a dividing surface 17 is formed.
  • the dividing surface 17 is formed with a recess 18.
  • the recess 18 may have a rectangular shape. But it can also be formed other forms. For example, a triangular shape of the recess 18 would be conceivable.
  • a further possibility for guiding the cooling medium via the gap channel 15 into the flow channel 10 consists in that the turbine blade 6, 7 is designed such that the cooling medium can be flowed through the blade leaf.
  • the blade has in this case small, as known in the gas turbine engine, cooling holes, which are designed such that the cooling steam flows out of the surface of the blade and thereby additionally cools as an airfoil.
  • a fluidically communicating tube must be formed between the gap channel 15 and the recess 18 or the cooling holes in the blade.
  • FIG. 4 shows a resilient sealing segment 9 as a further embodiment of a turbine component.
  • the sealing segment 9 comprises so-called sealing tips which are used for Sealing a gap 20 between a cover plate 21 of a turbine blade 6, 7 is formed.
  • the resilient sealing segment can be developed in such a way that the cooling medium can be flowed from the gap channel 15 into the flow channel 10.
  • the sealing segment would have to have either not shown in detail recess through which the cooling medium from the gap channel can flow into the flow channel.
  • a cooling bore (not shown) through the resilient sealing segment in order to form a flow-communicating conduit between the gap channel 15 and the flow channel 10.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dampfturbinenbauteil (3,4) umfassend im Dampfturbinenbauteil in Nuten angeordnete Turbinenkomponenten (6,7,9), wobei ein Spaltkanal (15) zwischen der Turbinenkomponente und einer Nutinnenfläche (16) des Dampfturbinenbauteils gebildet ist und eine Kühlleitung (14) vorgesehen ist, die in den Spaltkanal (15) mündet und zum Leiten von Kühlmedium in den Spaltkanal (15) ausgebildet ist. Der ohnehin vorhandene Spaltkanal (15) einer Umfangsnut wird zur Kühlung von Turbinenkomponenten wie Turbinenschaufeln (6,7) oder Dichtsegmenten (9) herangezogen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Dampfturbinenbauteil umfassend im Dampfturbinenbauteil in Nuten angeordnete Turbinenkomponenten, wobei ein Spaltkanal zwischen der Turbinenkomponente und einer Nutinnenfläche des Dampfturbinenbauteils gebildet ist.
  • Zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Dampfturbine trägt die Verwendung von Dampf mit höheren Drücken und Temperaturen bei. Die Verwendung von Dampf mit einem solchen Dampfzustand stellt erhöhte Anforderungen an die entsprechende Dampfturbine.
  • Eine Möglichkeit um den Wirkungsgrad einer Dampfturbine zu steigern, besteht durch deren Betrieb bei erhöhten Dampftemperaturen. Um den Wirkungsgrad von Dampfturbinen weiter zu steigern, kann eine weitere Erhöhung der Dampftemperatur wünschenswert sein. Aus materialtechnischen Gründen sind Temperaturerhöhungen nicht ohne weiteres möglich.
  • Unter einer Dampfturbine im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird jede Turbine oder Teilturbine verstanden, die von einem Arbeitsmedium in Form von Dampf durchströmt wird. Im Unterschied dazu werden Gasturbinen mit Gas und/oder Luft als Arbeitsmedium durchströmt, das jedoch völlig anderen Temperatur- und Druckbedingungen unterliegt als der Dampf bei einer Dampfturbine. Im Gegensatz zu Gasturbinen weist bei Dampfturbinen z. B. das einer Teilturbine zuströmende Arbeitsmedium mit der höchsten Temperatur gleichzeitig den höchsten Druck auf. Ein offenes Kühlsystem, wie bei Gasturbinen, ist also nicht ohne externe Zuführung realisierbar.
  • Dampfturbinen oder Dampfteilturbinen können in Hochdruck-, Mitteldruck- oder Niederdruck-Teilturbinen eingeteilt werden.
  • Eine scharfe Trennung zwischen Hochdruck-, Mitteldruck- oder Niederdruck-Teilturbinen wurde in der Fachwelt bislang nicht einheitlich definiert.
  • Eine Dampfturbine umfasst üblicherweise einen mit Schaufeln besetzten drehbar gelagerten Rotor, der innerhalb eines Gehäusemantels angeordnet ist. Bei Durchströmung des vom Gehäusemantel gebildeten Strömungsraumes mit erhitztem und unter Druck stehendem Dampf wird der Rotor über die Schaufeln durch den Dampf in Rotation versetzt. Die am Rotor angebrachten Schaufeln werden auch als Laufschaufeln bezeichnet. Am Gehäusemantel sind darüber hinaus üblicherweise stationäre Leitschaufeln angebracht, welche in die Zwischenräume der Laufschaufeln greifen. Eine Leitschaufel ist üblicherweise an einer ersten Stelle entlang einer Innenseite des Dampfturbinengehäuses gehalten. Dabei ist sie üblicherweise Teil eines Leitschaufelkranzes, welcher eine Anzahl von Leitschaufeln umfasst, die entlang eines Innenumfangs an der Innenseite des Dampfturbinengehäuses angeordnet sind. Dabei weist jede Leitschaufel mit ihrem Schaufelblatt radial nach innen. Üblicherweise ist eine Anzahl von Leitschaufelkränzen hintereinander angeordnet.
  • Sofern eine Wirkungsgraderhöhung über eine Temperaturerhöhung des Dampfes erzielt werden soll, spielen bessere und teurere Werkstoffe und die Kühlung eine wesentliche Rolle.
  • Eine wesentliche Rolle bei der Steigerung des Wirkungsgrades spielt die Kühlung. Bei den bisher bekannten Kühlmittelmethoden zur Kühlung eines Dampfturbinengehäuses, ist zwischen einer aktiven Kühlung und einer passiven Kühlung zu unterscheiden. Bei einer aktiven Kühlung wird eine Kühlung durch ein dem Dampfturbinengehäuse separat, d. h. zusätzlich zum Arbeitsmedium zugeführtes Kühlmedium bewirkt. Dagegen erfolgt eine passive Kühlung lediglich durch eine geeignete Führung oder Verwendung des Arbeitsmediums. Eine übliche Kühlung eines Dampfturbinengehäuses beschränkt sich auf eine passive Kühlung. So ist beispielsweise bekannt, ein Innengehäuse einer Dampfturbine mit kühlem, bereits expandiertem Dampf zu umströmen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass eine Temperaturdifferenz über die Innengehäusewandung beschränkt bleiben muss, da sich sonst bei einer zu großen Temperaturdifferenz das Innengehäuse thermisch zu stark verformen würde. Bei einer Umströmung des Innengehäuses findet zwar eine Wärmeabfuhr statt, jedoch erfolgt die Wärmeabfuhr relativ weit entfernt von der Stelle der Wärmezufuhr. Eine Wärmeabfuhr in unmittelbarer Nähe der Wärmezufuhr ist bisher nicht in ausreichendem Maße verwirklicht worden. Eine weitere passive Kühlung kann mittels einer geeigneten Gestaltung der Expansion des Arbeitsmediums in einer so genannten Diagonalstufe erreicht werden. Hierüber lässt sich allerdings nur eine sehr begrenzte Kühlwirkung auf das Gehäuse erzielen.
  • Die in den Dampfturbinen drehbar gelagerten Dampfturbinenwellen werden im Betrieb thermisch sehr beansprucht. Die Entwicklung und Herstellung einer Dampfturbinenwelle ist zugleich teuer und zeitaufwändig. Die Dampfturbinenwellen gelten als die am höchsten beanspruchten und teuersten Komponenten einer Dampfturbine. Dies gilt zunehmend für hohe Dampftemperaturen.
  • Mitunter aufgrund der hohen Massen der Dampfturbinenwellen sind diese thermisch träge, was sich negativ bei einem thermischen Lastwechseln eines Turbosatzes auswirkt. Das bedeutet, dass die Reaktion der gesamten Dampfturbine auf einen Lastwechsel im starken Maße von der Schnelligkeit der Dampfturbinenwelle auf thermisch veränderte Bedingungen reagieren zu können, abhängt. Zur Überwachung der Dampfturbinenwelle wird standardmäßig die Temperatur überwacht, was aufwändig und kostspielig ist.
  • Eine Eigenschaft der Dampfturbinenwellen ist, dass diese über keine wesentliche Wärmesenke verfügen. Daher gestaltet sich die Kühlung der an der Dampfturbinenwelle angeordneten Laufschaufeln als schwierig.
  • Zur Verbesserung der Anpassung einer Dampfturbinenwelle auf eine thermische Beanspruchung ist es bekannt, diese im Einströmbereich auszuhöhlen oder als Hohlwelle auszubilden. Diese Hohlräume sind in der Regel abgeschlossen und mit Luft gefüllt.
  • Allerdings wirken sich die im Betrieb auftretenden hohen Spannungen, die zum großen Teil aus Tangentialspannungen aus der Fliehkraft bestehen, nachteilig auf die vorgenannten Dampfturbinen-Hohlwellen aus. Diese Spannungen sind in etwa doppelt so hoch wie die Spannungen, die bei entsprechenden Vollwellen auftreten würden. Dies hat einen starken Einfluss auf die Werkstoffauswahl der Hohlwellen, was dazu führen kann, dass die Hohlwellen für hohe Dampfzustände nicht geeignet bzw. nicht realisierbar sind.
  • Im Gasturbinenbau ist es bekannt, luftgekühlte Hohlwellen als dünnwandige Schweißkonstruktionen auszuführen. Es ist unter anderem bekannt, die Gasturbinenwellen über eine so genannte Hirth-Verzahnung mit Scheiben auszubilden. Diese Gasturbinenwellen weisen dafür einen zentralen Zuganker auf.
  • Allerdings ist eine direkte Übertragung der Kühlprinzipien bei Gasturbinen auf den Dampfturbinenbau in der Regel nicht möglich, da eine Dampfturbine im Gegensatz zur Gasturbine als geschlossenes System betrieben wird. Darunter ist zu verstehen, dass das Arbeitsmedium in einem Kreislauf sich befindet und nicht in die Umgebung abgeführt wird. Das bei einer Gasturbine eingesetzte Arbeitsmedium, das im Grunde genommen aus Luft und Abgas besteht, wird nach dem Durchtritt durch die Turbineneinheit der Gasturbine in die Umgebung abgegeben.
  • Dampfturbinen weisen darüber hinaus im Gegensatz zur Gasturbine keine Verdichtereinheit auf und des Weiteren sind die Wellen der Dampfturbine im Allgemeinen nur radial zugänglich.
  • Dampfturbinen mit einer Dampfeintrittstemperatur von ungefähr 600°C wurden in den 1950er Jahren entwickelt und gebaut.
  • Diese Dampfturbinen wiesen eine radiale Beschaufelung auf. Der heutige Stand der Technik im Dampfturbinenbau umfasst Wellenkühlungen mit radialer Anordnung der ersten Leitschaufelreihe in Form von Diagonal- oder Regelstufen auf. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist jedoch die geringe Kühlwirkung dieser Diagonal- oder Regelstufen.
  • Besonders thermisch belastet werden bei den Dampfturbinenwellen die Kolben- und Einströmbereiche. Mit Kolbenbereich ist der Bereich eines Schubausgleichskolbens zu verstehen. Der Schubausgleichskolben wirkt in einer Dampfturbine derart, dass eine durch das Arbeitsmedium hervorgerufene Kraft auf die Welle in einer Richtung eine Gegenkraft in Gegenrichtung ausgebildet wird.
  • Eine Kühlung einer Dampfturbinenwelle ist unter anderem in der EP 0 991 850 B1 beschrieben. Dabei wird eine Kompakt- bzw. Hochdruck- und Mitteldruck-Teilturbine durch eine Verbindung in der Welle, durch die ein Kühlmedium strömen kann, ausgeführt. Als nachteilig wird hierbei empfunden, dass zwischen zwei verschiedenen Expansionsabschnitten kein regelbarer Bypass ausgebildet werden kann. Darüber hinaus sind Probleme im instationären Betrieb möglich.
  • Wünschenswert wäre es, eine Dampfturbine auszubilden, die für hohe Temperaturen geeignet ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Dampfturbine anzugeben, die bei hohen Dampftemperaturen betrieben werden kann.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Dampfturbinenbauteil umfassend im Dampfturbinenbauteil in Nuten angeordnete Turbinenkomponenten, wobei ein Spaltkanal zwischen der Turbinenkomponente und einer Nutinnenfläche des Dampfturbinenbauteils gebildet ist, wobei eine Kühlleitung vorgesehen ist, die in den Spaltkanal mündet und zum Leiten von Kühlmedium in den Spaltkanal ausgebildet ist.
  • Die Erfindung geht von dem Aspekt aus, dass in einer Dampfturbine beim Einbau von Turbinenkomponenten in eine Nut konstruktions- und fertigungsbedingt die Bildung eines Spaltkanals unumgänglich ist. Dieser Spaltkanal wurde bisher nicht zu Kühlungszwecken verwendet. Die Erfindung sieht daher vor, das Vorhandensein des Spaltkanals zu Kühlungszwecken zu nutzen. Dafür ist in dem Dampfturbinenbauteil eine Kühlleitung vorgesehen, die in den Spaltkanal mündet. Wenn durch die Kühlleitung ein externer Kühldampf strömt, gelangt dieser in den Spaltkanal und kann dort thermisch belastete Teile kühlen.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine bestehende Dampfturbine ohne wesentliche konstruktive Änderungen erfindungsgemäß ausgebildet werden kann. Erforderlich hierfür sind Kühlleitungen, die in den Spaltkanal münden. Des Weiteren muss sichergestellt werden, dass das Kühlmedium aus dem Kühlkanal wieder abgeführt wird. Die Kühlleitung kann als Bohrung ausgeführt sein.
  • Eine Bohrung ist eine vergleichsweise kostengünstige und schnelle Möglichkeit, die Kühlleitung auszubilden. Dadurch ist die Dampfturbine kostengünstig herstellbar.
  • Besteht zwischen Spaltkanal und Strömungskanal ein Druckgefälle, wobei der höhere Druck im Spaltkanal vorherrscht, so kann dieses Druckgefälle vorteilhafterweise genutzt werden, um das Kühlmedium vom Spaltkanal in den Strömungskanal abzuführen.
  • In einer vorteilhaften Ausführung, sind Teilungsflächen zwischen benachbarten Schaufelfüßen mit Aussparungen ausgebildet, sodass das Kühlmedium vom Kühlkanal durch die Aussparungen in den Strömungskanal gelangen kann. Die Teilungsfläche kann mit bekannten Werkzeugen einfach bearbeitet werden, wodurch eine Aussparung gebildet werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausführung sind die Aussparungen in Anzahl und Größe so zu wählen, dass das Kühlmedium gedrosselt in den Strömungskanal abgeführt wird und so der Massenstrom des Kühlmediums weitestgehend festgesetzt wird.
  • In einer vorteilhaften Ausführung kann die Turbinenkomponente als Turbinenschaufel ausgebildet sein. Die Turbinenschaufel kann mit kleinen Kühlbohrungen ausgebildet sein und hohl ausgeführt werden, damit das Kühlmedium von der Kühlleitung über den Spaltkanal und den kleinen Kühlleitungen in den Strömungskanal strömen kann.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Turbinenkomponente als Dichtsegment ausgebildet sein. Insbesondere federnde Dichtsegmente werden im Dampfturbinenbau eingesetzt. Auch die Dichtsegmente werden bei Hochdruck-Dampfturbinen thermisch belastet und müssen unter Umständen gekühlt werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen zwei benachbarten Turbinenschaufeln eine Teilungsfläche gebildet, die eine Aussparung zum Durchleiten des Kühlmediums aufweist. Dadurch ist es möglich, das Kühlmedium in konstruktiver und herstellungsorienterter Weise einfach auszubilden. Die Teilungsfläche kann mit bekannten Werkzeugen einfach bearbeitet werden, wodurch eine Aussparung gebildet werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Turbinenbauteil als Gehäuse einer Dampfturbine ausgebildet. In Hochdruck- und Mitteldruck-Dampfturbinen ist das Gehäuse, insbesondere Innengehäuse, besonders im Einströmbereich thermisch belastet. Es kann daher wünschenswert sein, thermisch belastete Bereiche der Dampfturbine zu kühlen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Dampfturbinenbauteil als Rotor einer Dampfturbine ausgebildet. Neben dem Innengehäuse ist der Rotor einer Hochdruck-Dampfturbine besonders thermisch im Einströmbereich belastet und muss daher besonders gekühlt werden.
  • Nachfolgend werden verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung genauer beschrieben. Darin zeigen:
  • FIG 1
    eine Querschnittsansicht einer Hochdruck-Dampfturbine,
    FIG 2
    eine Querschnittsansicht eines Turbinenschaufelfußes,
    FIG 3
    eine Draufsicht auf einen Ausschnitt von zwei Turbinenschaufeln,
    FIG 4
    eine Querschnittsansicht eines Dichtsegmentes.
  • In der FIG 1 ist eine Querschnittsansicht einer Hochdruck-Dampfturbine zu sehen. Die Hochdruck-Dampfturbine weist ein Außengehäuse 2 und ein Innengehäuse 3 auf. Innerhalb des Innengehäuses 3 ist ein Rotor 4 drehbar gelagert. Das Innengehäuse 3 weist auf seinem Innenumfang 5 mehrere Leitschaufeln 6 auf. Der Übersichtlichkeit wegen sind in der FIG 1 lediglich drei Leitschaufelkränze mit dem Bezugszeichen 6 versehen.
  • Der Rotor 4 weist Laufschaufeln 7 auf. Der Übersichtlichkeit wegen sind lediglich drei Leitschaufelkränze mit dem Bezugszeichen 7 versehen.
  • Dampf strömt über den Einströmbereich 8 in die Dampfturbine 1. Der Dampf kann hierbei Temperaturen von über 600°C und Drücke von deutlich über 300 bar aufweisen. Der Rotor 4, das Innengehäuse 2 und das Außengehäuse 3 können als Dampfturbinenbauteil aufgefasst werden.
  • Ein federndes Dichtsegment, die Leitschaufeln 6 und/oder die Laufschaufeln 7 können als Turbinenkomponente betrachtet werden.
  • Zwischen dem Rotor 4 und dem Innengehäuse 3 wird ein Strömungskanal 10 gebildet, durch den der Dampf strömt und Arbeit verrichtet. Der Rotor 4 wird hierbei in Drehung versetzt. Der Dampf kühlt sich in einer Strömungsrichtung 11 ab, wobei der Druck abnimmt.
  • Der Einströmbereich, ein Ausgleichskolben und die ersten Stufen sind besonders thermisch belastet und müssen gekühlt werden. Dazu weist das Innengehäuse 3 mehrere Kühlleitungen 14 auf. In der FIG 1 sind lediglich fünf Kühlleitungen 14 eingezeichnet. Selbstverständlich können auch mehrere oder auch weniger Kühlleitungen 14 ausgebildet sein. Die Kühlleitung 14 mündet in einen Spaltkanal 15. Der Spaltkanal 15 ist konstruktions- und fertigungsbedingt nahezu unumgänglich. Der Spaltkanal 15 wird zwischen der Turbinenkomponente 2, 3, 4 und einer Nutinnenfläche des Dampfturbinenbauteils 2, 3, 4 gebildet. Der Spaltkanal 14 ist zum Leiten von Kühlmedium in den Spaltkanal 15 ausgebildet. Das Kühlmedium kann ein von extern zugeführter Kühldampf sein. Es ist aber auch denkbar, dass das Kühlmedium auf irgendeiner Weise vom Dampf an einer Stelle niedrigeren Druckes und niedrigeren Temperaturen abgezweigt wird.
  • In der FIG 2 ist ein Hakenfuß einer Turbinenschaufel 6, 7 zu sehen. Grundsätzlich denkbar sind jedoch auch andere Schaufelfußgeometrien, z.B. Hammer-, Doppelhammer- oder Tannenfüße. Leitschaufeln 6 oder/und Laufschaufeln 7 werden als Turbinenschaufeln bezeichnet. Das Kühlmedium strömt in den Spaltkanal 15 und kühlt dort thermisch belastete Teile.
  • Die Kühlleitung 14 kann hierbei als eine einfache Bohrung ausgeführt werden. Bohrungen sind besonders leicht zu realisieren. Dadurch kann solch eine erfindungsgemäße Dampfturbine schnell und kostengünstig hergestellt werden.
  • Das Dampfturbinenbauteil 2, 3, 4 ist zum Aufbau einer Dampfturbine 1 mit dem Strömungskanal 10 vorgesehen und derart ausgebildet, dass das Kühlmedium in den Strömungskanal 10 strömbar ist. Dazu müssen in der FIG 2 nicht näher dargestellte Leitungen vorhanden sein, um den Kühldampf vom Spaltkanal 15 in den Strömungskanal 10 zu leiten.
  • In der FIG 3 ist eine Möglichkeit dargestellt, wie das Kühlmedium in den Strömungskanal 10 geleitet werden kann. In der FIG 3 sind zwei benachbarte Turbinenschaufeln 6, 7 dargestellt, zwischen denen eine Teilungsfläche 17 ausgebildet ist. Zum Leiten des Kühlmediums in den Strömungskanal 10 ist die Teilungsfläche 17 mit einer Aussparung 18 ausgebildet. Es ist denkbar, dass in Abhängigkeit von der erforderlichen Kühlleistung für jeden Spaltkanal die Aussparungen in Anzahl, Größe und Form derart variieren, dass eine gewünschte Drosselwirkung erzielt und damit zusammen hängend der Kühlmassenstrom festgesetzt wird. Die Aussparung 18 kann eine rechteckige Form aufweisen. Es können aber auch andere Formen gebildet werden. Denkbar wäre beispielsweise eine dreieckige Form der Aussparung 18.
  • Eine weitere Möglichkeit, das Kühlmedium über den Spaltkanal 15 in den Strömungskanal 10 zu führen besteht, indem die Turbinenschaufel 6, 7 derart ausgebildet ist, dass das Kühlmedium durch das Schaufelblatt strömbar ist. Das Schaufelblatt weist hierbei kleine, wie im Gasturbinenbau bekannte, Kühlbohrungen auf, die derart ausgebildet sind, dass der Kühldampf an der Oberfläche des Schaufelblattes ausströmt und dadurch zusätzlich als Schaufelblatt kühlt. Hierbei muss zwischen dem Spaltkanal 15 und der Aussparung 18 bzw. den Kühlbohrungen im Schaufelblatt eine strömungstechnisch kommunizierende Röhre ausgebildet sein.
  • In der FIG 4 ist ein federndes Dichtsegment 9 als weitere Ausführungsform einer Turbinenkomponente zu sehen. Das Dichtsegment 9 umfasst so genannte Dichtspitzen, die zum Abdichten eines Spaltes 20 zwischen einer Deckplatte 21 einer Turbinenschaufel 6, 7 gebildet ist. Zwischen dem federnden Dichtsegment 9 und dem Dampfturbinenbauteil 2, 3, dass als Außengehäuse oder als Innengehäuse ausgebildet ist, entsteht fertigungs- und konstruktionsbedingt ebenso ein Spaltkanal 15. In diesen Spaltkanal 15 mündet die Kühlleitung 14 und kühlt insbesondere das federnde Dichtsegment 9.
  • Das federnde Dichtsegment kann derart weitergebildet werden, dass das Kühlmedium von dem Spaltkanal 15 in den Strömungskanal 10 strömbar ist. Dazu müsste das Dichtsegment entweder eine nicht näher dargestellt Aussparung aufweisen, durch die das Kühlmedium vom Spaltkanal in den Strömungskanal strömen kann. Ebenso denkbar wäre eine nicht näher dargestellte Kühlbohrung durch das federnde Dichtsegment, um eine strömungstechnische kommunizierende Leitung zwischen dem Spaltkanal 15 und dem Strömungskanal 10 zu bilden. Ein entscheidender Vorteil der Erfindung ist es, dass der Einsatz von teuren temperaturfesten Werkstoffen, die beispielsweise auf Nickelbasis basieren, reduziert oder ganz vermieden werden kann. Dadurch verringern sich die Kosten für die Herstellung einer Dampfturbine. Insbesondere werden der Gehäuse-, Rotorbereich, Schaufelfuß, Stemmstücke, Grenzschicht des Hauptdampfstroms gekühlt.
  • Da die Dampfturbinenbauteile gekühlt werden und dadurch keine Temperaturen Temperaturgradienten erfahren, die über einen Grenzwert gehen, wird die Lebensdauer des Dampfturbinenbauteils verlängert.

Claims (9)

  1. Dampfturbinenbauteil,
    umfassend im Dampfturbinenbauteil in Nuten angeordnete Turbinenkomponenten (6, 7, 9),
    wobei ein Spaltkanal (15) zwischen der Turbinenkomponente (6, 7, 9) und einer Nutinnenfläche (16) des Dampfturbinenbauteils gebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Kühlleitung (14) vorgesehen ist, die in den Spaltkanal (15) mündet und zum Leiten von Kühlmedium in den Spaltkanal (15) ausgebildet ist.
  2. Dampfturbinenbauteil nach Anspruch 1,
    wobei die Kühlleitung (14) als Bohrung ausgeführt ist.
  3. Dampfturbinenbauteil nach Anspruch 1 oder 2,
    das zum Aufbau einer Dampfturbine (1) mit einem Strömungskanal (10) vorgesehen ist und derart ausgebildet ist,
    dass das Kühlmedium in den Strömungskanal (10) strömbar ist.
  4. Dampfturbinenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Turbinenkomponente (6, 7, 9) als Turbinenschaufel (6, 7) ausgebildet ist.
  5. Dampfturbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei die Turbinenkomponente (6, 7, 9) als Dichtsegment (9) ausgebildet ist.
  6. Dampfturbinenbauteil nach Anspruch 4,
    wobei zwischen benachbarten Turbinenschaufeln (6, 7) eine Teilungsfläche (17) gebildet ist, die eine Aussparung (18) zum Durchleiten des Kühlmediums aufweist.
  7. Dampfturbinenbauteil nach Anspruch 4 oder 6,
    wobei die Turbinenschaufeln (6, 7) derart ausgebildet sind, dass das Kühlmedium durch das Schaufelblatt strömbar ist.
  8. Dampfturbinenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    als Gehäuse einer Dampfturbine ausgebildet.
  9. Dampfturbinenbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als Rotor (4) einer Dampfturbine (1) ausgebildet.
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